百万级单细胞图谱研究 | 发现糖尿病肾病的有效疗法

糖尿病肾病 / Diabetic Kidney Disease

糖尿病和终末期肾病（ESKD）之间存在着可怕的相关性：事实上，糖尿病是在全球范围内导致终末期肾病的主要原因(1)。糖尿病肾病（DKD）也发生在很大一部分糖尿病患者（40%）中，这增加了肾功能衰竭的可能性和人工血液过滤（透析）的需求，增加了胰岛素管理的挑战，并影响了糖尿病患者的生活质量和健康结局(1)。

好消息是，终末期肾病和糖尿病肾病的一些新兴疗法大有潜力。其中包括一类被称为钠-葡萄糖协同转运蛋白2抑制剂（SGLT2i）的药物，它能够防止肾脏重新吸收多余的糖分并帮助减轻肾脏损伤，从而降低血糖水平(2)。

尽管存在这些好处，但科学家们对于SGLT2i类药物的作用机制仍知之甚少。此外，糖尿病肾病的细胞和分子驱动因素也是模糊的，表明目前急需确定疾病机制，并开发治疗方案，更好地针对糖尿病肾病背后的生物学机制(1)。

这种认知上的差距促使圣路易斯华盛顿大学的研究团队与Janssen Research & Development（强生制药公司旗下）合作，对不同治疗方案下的小鼠糖尿病肾病模型开展了百万级单细胞的图谱研究(1)。这项发表在《Cell Metabolism》上的研究代表了迄今为止最大的小鼠肾脏单细胞图谱。小鼠被分为七个治疗组，分别代表无病对照组、未治疗小鼠、三种糖尿病和肾脏疾病药物的单一治疗组或联合治疗组：赖诺普利（ACEi）、罗格列酮（Rosi）和JNJ-39933673（SGLT2i抑制剂）（具体来说，他们测试了ACEi+Rosi和ACEi+SGLT2i联合治疗）。

组织学数据立即显示出，联合治疗是挽救肾脏病理变化的最有效方法。为了更深入地研究治疗如何影响肾脏内的特定细胞类型，研究团队采用单细胞核RNA测序（snRNA-seq）来分析治疗后两天和两周收集的肾脏组织。他们总共分析了946,660个单细胞，这些细胞可进一步分为18种主要的肾细胞类型，重要的是，他们能够分辨稀有的细胞类型，如致密斑细胞(1)。

01 细胞类型特异性的见解揭示了疾病机制和治疗应答

考虑到肾细胞的显著异质性，研究团队首先研究了糖尿病病理学对特定肾细胞类型有何独特影响。他们对患病小鼠和对照小鼠的细胞开展了差异基因表达分析，揭示了在疾病进展过程中差异表达基因数量最多的细胞类型：主细胞（PC）、粗升肢细胞（TAL）、壁上皮细胞（PEC）、近端小管细胞（PT）和内皮细胞（EC）。

他们的分析还鉴定出一些上调的基因，可作为糖尿病肾病的疾病标志物。在将全基因组关联研究鉴定出的疾病特征映射回细胞特异性的基因表达后，他们意外发现PC和EC与估算的肾小球滤过率（eGFR）之间存在强烈关联，eGFR这个指标反映了肾脏清除多余液体和血液中废物的能力如何。这可能表明PC在糖尿病病理学中有着更显著的作用，而以前从未发现。

研究团队试图将这种细胞特异性的见解再推进一步，并了解特定的肾细胞群体对糖尿病肾病的治疗方案有何反应——这也许能揭示一些线索，反映哪些药物组合最能预防疾病进展。

他们的结果再次反映了一种高度异质性和细胞特异性的转录反应：每种不同的治疗方案纠正的基因和通路都与其他完全不同，且各种方案之间几乎没有共享的基因。

他们还发现了一群表达损伤标志物（包括Havcr1）的近端小管细胞，这些细胞优化了尿液生成过程中某些肾小球滤液的重吸收和分泌。联合药物治疗可有效降低糖尿病肾病中损伤标志物Havcr1的表达及这些受损细胞的总体比例，而单一治疗则无法做到。这一重大的发现在小鼠身上得到了验证，并对人类疾病的表现和治疗也有影响，因为该团队能够从他们的单细胞数据中获得细胞类型特异性的分子特征，并确认这种受损的PT细胞状态也存在于人类糖尿病肾病的大量细胞RNA-seq数据集中(1)。

02 为糖尿病肾病患者寻找更多选择

尽管近年来新兴的糖尿病肾病疗法已显示出巨大的前景，将终末期肾病的风险降低了三分之一，但其余三分之二的“有风险”的试验对象，无论是使用ACEi还是SGLT2i药物，都继续进展为终末期肾病(1)。这项研究带来了疾病机制和治疗应答方面的细胞特异性的详细见解，证明了联合疗法的合理性——这可以支持未来新型疗法的开发，以填补目前治疗方案的空白。

这只是正在开展或即将开展的众多研究中的一项。其他科学家也在扩大他们的成果，以便更详细地了解糖尿病肾病以及与疾病相关的细胞状态，其中包括宾夕法尼亚大学的一个研究团队，他们发布了一篇预印本文章（点击阅读原文可查看该文章），重点介绍了人类糖尿病肾脏组织的单细胞RNA-seq、ATAC-seq和Visium空间数据。

参考文献：

1. Wu H, et al. Mapping the single-cell transcriptomic response of murine diabetic kidney disease to therapies. Cell Metab 34: 1064–1078.e6 (2022). doi: 10.1016/j.cmet.2022.05.010

2. https://www.kidney.org/atoz/content/sglt2-inhibitors